陳 聰， 武 濤， 姜 穎， 師利中

(1. 中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院， 天津 300300； 2.中國民航大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300300)

近年來，黨中央、國務(wù)院高度重視教育信息化工作，《國家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020 年) 》指出，“信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視”，并把“加快教育信息化進(jìn)程”單獨(dú)作為一部分進(jìn)行了專門的闡述。

教育部先后出臺(tái)《教育信息化“十三五”規(guī)劃》和《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，推動(dòng)現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合[1-2]，虛擬仿真技術(shù)的引入為教育教學(xué)模式改革和全面提升教學(xué)質(zhì)量提供了新手段[3-4]。

在此背景下，中國民航大學(xué)積極開展教育信息化改革，自主開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及功能用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)將科研成果反哺教學(xué)。目前授予軟件著作權(quán)3項(xiàng)，已實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化1項(xiàng)，另有1項(xiàng)在審批中。

1 實(shí)驗(yàn)需求

為使學(xué)生深入學(xué)習(xí)飛機(jī)燃油系統(tǒng)運(yùn)行原理，建立由結(jié)構(gòu)示意至三維數(shù)模的認(rèn)知映射，形成對(duì)燃油系統(tǒng)物理分布及加油、輸油等主要功能運(yùn)行原理的直觀感知。以虛擬仿真面板平臺(tái)為基礎(chǔ)，了解飛機(jī)燃油系統(tǒng)的調(diào)控方式及實(shí)際操控界面，通過交互式的操作讓學(xué)生對(duì)燃油系統(tǒng)輸油功能及燃油消耗有更確切的體驗(yàn)。

學(xué)習(xí)了解飛機(jī)燃油系統(tǒng)的典型故障與隔離處理，拓展對(duì)燃油系統(tǒng)功能附件結(jié)構(gòu)及排故措施的了解。

利用虛擬仿真技術(shù)建立實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)順應(yīng)教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)需要，必將對(duì)高等教育質(zhì)量的提升和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深化，產(chǎn)生積極而重要的影響[3]。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)，涉及飛機(jī)燃油系統(tǒng)運(yùn)行原理、系統(tǒng)操控模擬、系統(tǒng)故障與維護(hù)等主要知識(shí)點(diǎn)[5-7]。

2.1 飛機(jī)燃油系統(tǒng)運(yùn)行原理

飛機(jī)燃油系統(tǒng)由多個(gè)油箱、大量管路和不同功能的閥、泵等附件共同組成，涉及中央翼盒、外翼翼盒等部位，需要執(zhí)行完成加油、輸油和抽/放油等任務(wù)。飛機(jī)燃油系統(tǒng)組件多、分布散、功能多樣，學(xué)習(xí)掌握燃油系統(tǒng)需要建立在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和整體運(yùn)行工作原理的基礎(chǔ)上，由簡(jiǎn)入繁，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)應(yīng)三維環(huán)境下的系統(tǒng)分布與造型，在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)認(rèn)知電路控制及主要功能運(yùn)行原理，如圖1所示。

燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意：包括飛機(jī)燃油系統(tǒng)組成示意圖、系統(tǒng)分布及油路分布示意圖等。

燃油系統(tǒng)三維展示：包括中央油箱、主油箱、中央油箱加油管路、主油箱加油管路、發(fā)動(dòng)機(jī)供油管路、中央油箱回油管路、APU供油管路等結(jié)構(gòu)的三維建模與裝配，表明相對(duì)位置關(guān)系。

燃油系統(tǒng)運(yùn)行原理：燃油供油即在地面上和空中進(jìn)行的不同油箱間的燃油傳遞；壓力加油即由加油站位為主油箱和中央油箱加油的過程。

圖1 飛機(jī)燃油系統(tǒng)運(yùn)行原理實(shí)驗(yàn)原理示意圖

2.2 飛機(jī)燃油系統(tǒng)調(diào)控模擬

飛機(jī)燃油系統(tǒng)通過燃油操縱面板指示燃油的溫度和油量，以便于對(duì)燃油狀態(tài)的監(jiān)控。操控與顯示面板是飛機(jī)燃油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與人員交互的主要途徑，深入學(xué)習(xí)燃油系統(tǒng)需要熟悉操控面板及操控響應(yīng)，并對(duì)燃油的消耗預(yù)測(cè)有一定的了解，如圖2所示。

圖2 飛機(jī)燃油系統(tǒng)調(diào)控模擬原理示意圖

操控界面模擬：駕駛艙燃油面板的仿真模型展示、預(yù)設(shè)參數(shù)下的燃油流量顯示、指示系統(tǒng)的電路原理模擬。

燃油系統(tǒng)調(diào)控模擬：交互式的參數(shù)輸入及面板模塊功能按鍵的使用。

燃油消耗預(yù)測(cè)模擬包括由給定參數(shù)確定的限定時(shí)間內(nèi)燃油箱油量的變化響應(yīng)規(guī)律[8-10]。

2.3 飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障與維護(hù)

系統(tǒng)排故與維護(hù)是機(jī)務(wù)專業(yè)的重要教學(xué)內(nèi)容。飛機(jī)燃油系統(tǒng)的故障與排故可以借助較為成熟的VMT(virtual maintenance training，虛擬維護(hù)訓(xùn)練器)、CBT(computer based training)訓(xùn)練軟件及AMM手冊(cè)開展概念與流程學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上拓延了解在系統(tǒng)中起重要作用的典型功能附件的結(jié)構(gòu)及拆卸排故，從而形成較為系統(tǒng)的燃油系統(tǒng)故障與維護(hù)認(rèn)知[10-11]，如圖3所示。

燃油系統(tǒng)的故障與隔離：基于VMT、CBT資料的典型故障處理方法與流程學(xué)習(xí)。

燃油系統(tǒng)附件結(jié)構(gòu)三維演示：功能性閥及引射泵、燃油泵等附件的三維數(shù)模演示。

燃油系統(tǒng)附件拆解與排故：包括典型功能附件三維數(shù)模的爆炸圖拆解，常見故障的排除工藝介紹。

2.4 人才培養(yǎng)的支撐作用

根據(jù)本專業(yè)培養(yǎng)方案，將學(xué)生的畢業(yè)要求分解成若干指標(biāo)點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的實(shí)施，可對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)形成很好的支持，對(duì)學(xué)生知識(shí)、能力的培養(yǎng)起到重要作用[12-14]。支撐矩陣見表1。

圖3 飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障與維護(hù)原理示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)的支撐矩陣

2.5 重視教學(xué)設(shè)計(jì)

為擺脫傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“照單操作”、個(gè)別學(xué)生參與度低等問題，立足民航主力機(jī)型，以飛機(jī)主要機(jī)電系統(tǒng)為主線，結(jié)合工程實(shí)踐[14-16]案例，順應(yīng)“機(jī)電一體化”的行業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，精心設(shè)計(jì)20余項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，提供“菜單式”自主選擇以提高學(xué)生興趣及參與度。滿足從“系統(tǒng)原理-機(jī)型展現(xiàn)-故障分析、排故設(shè)計(jì)”等3個(gè)不同層次、不同課程的多種教學(xué)需求[15]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本功能如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本功能圖

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)維修工作流程而設(shè)計(jì)，由維修環(huán)境認(rèn)知、故障診斷隔離、系統(tǒng)數(shù)值仿真分析等3個(gè)主要環(huán)節(jié)組成。以工程案例為指導(dǎo)，根據(jù)維修工作的全工序流程，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為3個(gè)主要環(huán)節(jié)：維修環(huán)境認(rèn)知、故障診斷隔離、數(shù)值仿真分析。實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中故障再現(xiàn)、故障隔離、工作原理建模、數(shù)值仿真分析等環(huán)節(jié)又各自可以進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定及虛擬工具的使用，分別通過操作和考核環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)定。

3 教學(xué)實(shí)施

針對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)，主要涉及飛機(jī)燃油系統(tǒng)運(yùn)行原理、飛機(jī)燃油系統(tǒng)調(diào)控、飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障與維護(hù)原理。

圖6 飛機(jī)燃油系統(tǒng)運(yùn)行原理實(shí)驗(yàn)方法流程

3.1 飛機(jī)燃油系統(tǒng)運(yùn)行原理模擬實(shí)驗(yàn)

飛機(jī)燃油系統(tǒng)包括離心泵、引射泵、控制閥、管路以及位處多處的油箱，涉及附件多，區(qū)域跨度大，理解其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理是學(xué)習(xí)中的重難點(diǎn)。運(yùn)行原理模擬實(shí)驗(yàn)旨在加深學(xué)生對(duì)燃油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)知，了解加油、抽油等工作原理。首先基于結(jié)構(gòu)原理平面圖進(jìn)行區(qū)域識(shí)別，包括主要附件及油箱區(qū)域；隨后在結(jié)構(gòu)圖與三維數(shù)模之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域?qū)?yīng)；最后展示三維數(shù)模的細(xì)節(jié)，包括可調(diào)視圖及系統(tǒng)的工作動(dòng)畫,如圖6所示。

3.2 飛機(jī)燃油系統(tǒng)調(diào)控模擬實(shí)驗(yàn)

飛機(jī)燃油系統(tǒng)調(diào)控模擬實(shí)驗(yàn)旨在加深學(xué)生對(duì)燃油面板結(jié)構(gòu)與功能的了解，操控感受燃油消耗的調(diào)控。在認(rèn)識(shí)了解面板功能和操縱方式后，首先在面板界面上進(jìn)行飛機(jī)參數(shù)的輸入，隨后根據(jù)電路原理提示，在Labview平臺(tái)下進(jìn)行電路操控，觀察燃油量的消耗預(yù)測(cè)，可以多次重復(fù)上述操作，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納,如圖7所示。

圖7 飛機(jī)燃油系統(tǒng)調(diào)控模擬實(shí)驗(yàn)方法流程

3.3 飛機(jī)燃油系統(tǒng)維護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)

飛機(jī)燃油系統(tǒng)維護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)旨在提供虛擬環(huán)境下的修理流程模擬，學(xué)生可以按照提示及要求，在故障的定義，排故手冊(cè)的查詢，排故操作，故障分析等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析選擇，加深對(duì)系統(tǒng)及排故的了解。首先實(shí)驗(yàn)平臺(tái)隨機(jī)給出庫中預(yù)定義的燃油系統(tǒng)故障，學(xué)生對(duì)故障狀態(tài)表征進(jìn)行分析，隨后查找手冊(cè)章節(jié)，確定排故方案，模擬排故流程，最后給出典型燃油附件的故障，學(xué)生學(xué)習(xí)并選擇基本的修理方法,如圖8所示。

圖8 飛機(jī)燃油系統(tǒng)故障與維護(hù)實(shí)驗(yàn)方法流程

4 特色及創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 教學(xué)理念與內(nèi)容創(chuàng)新

項(xiàng)目面向飛機(jī)燃油系統(tǒng)，建立從知識(shí)原理向模型功能的認(rèn)知映射，改善文字和圖片教學(xué)中存在的“只知其理，不知其物”“瞎子摸象，不識(shí)大體”等問題；以機(jī)務(wù)工作基礎(chǔ)為核心，構(gòu)建涵蓋系統(tǒng)原理、機(jī)型模型、故障分析和排故設(shè)計(jì)的多層教學(xué)體系；通過由上到下，由聚到散，由因到果的順序引導(dǎo)，串聯(lián)知識(shí)內(nèi)容，打通知識(shí)點(diǎn)孤島，最終讓學(xué)生對(duì)飛機(jī)燃油系統(tǒng)形成系統(tǒng)、深入的認(rèn)識(shí)。

4.2 教學(xué)方法及途徑創(chuàng)新

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和深入，教育信息化受到了國家的高度重視，利用飛機(jī)虛擬維修實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，即是在充分利用虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，將飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)體系進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)劃與梳理，加強(qiáng)了課程之間的關(guān)聯(lián)性，構(gòu)成有機(jī)整體，建立由原理到應(yīng)用的整體規(guī)劃，多維度、多層次的教學(xué)體系。

在飛機(jī)燃油系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，注重對(duì)學(xué)生的啟發(fā)教育，將飛機(jī)上真實(shí)的故障現(xiàn)象模擬重現(xiàn)，啟發(fā)學(xué)生自主思考并查找所使用的技術(shù)手冊(cè)，分析判斷故障原因，通過仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。而并不是以傳統(tǒng)的按步驟引導(dǎo)，學(xué)生簡(jiǎn)單的照單重復(fù)即可。在逆向排故的過程中，提升學(xué)生的獨(dú)立思考及判斷的能力，效果更為明顯。

實(shí)驗(yàn)結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，利用構(gòu)建“虛實(shí)結(jié)合、軟硬互補(bǔ)”的可拓展的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。旨在建立以案例驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的人才培養(yǎng)模式，借助“虛擬維護(hù)訓(xùn)練器”系統(tǒng)深入地將課程體系參考CDIO大綱的模式進(jìn)行改革，開展研究型教學(xué)改革，借助虛擬仿真技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的多種新媒體形式，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)逐步轉(zhuǎn)化為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的多種教學(xué)資源課程。

4.3 開放運(yùn)行模式與評(píng)價(jià)體系創(chuàng)新

項(xiàng)目采用線上開展視情開放的方式，在保障基本授課班級(jí)需求的基礎(chǔ)上，為其他相關(guān)專業(yè)和學(xué)生提供服務(wù)。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)過程填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，鍛煉學(xué)生組織文字及用圖表說明問題的能力，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)體系的設(shè)計(jì)堅(jiān)持以學(xué)生為中心、以定量評(píng)價(jià)為主和科學(xué)性原則，根據(jù)學(xué)生提供的個(gè)人或小組報(bào)告評(píng)定分?jǐn)?shù)。

5 發(fā)展規(guī)劃

在飛機(jī)系統(tǒng)課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革、試點(diǎn)、運(yùn)行過程中，取得了以應(yīng)用為導(dǎo)向的工程實(shí)踐教育教學(xué)工作的初步成效，培養(yǎng)的學(xué)生滿足用人單位的需求，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性提高、自主學(xué)習(xí)能力逐步加強(qiáng)。未來，將加大企業(yè)參與的力度，不斷完善校企聯(lián)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。